热电厂余热锅炉疏水管爆管失效分析

热电厂余热锅炉疏水管爆管失效分析

郑振峰

国电投河南电力工程有限公司 河南 郑州 450000

摘要：余热锅炉作为热电厂关键设备，主要对产生的高温烟气进行冷却、换热、产生蒸汽，是余热回收、节能减排的重要支撑。本文就对其疏水管爆管失效展开了相关探究。

关键词：热电厂；余热锅炉；锅炉疏水管；爆管失效

1概况

某热电厂1号余热锅炉为三压、再热、无补燃、无旁通烟筒、自然循环、带除氧器、全封闭、卧式余热锅炉，与GE9371FB型燃气轮机匹配，本台余热锅炉配“二拖一”蒸汽轮机，于2014年6月20日正式投运。2018年01月20日，运行监盘人员发现1号余热锅炉高压主蒸汽流量264t/h，高压给水流量314t/h，高压给水流量异常大于高压主蒸汽流量50t/h，立即就地检查，发现1号余热锅炉零米烟道处有异常声音，1号模块下部周围有少量蒸汽冒出。停机后发现高压低温过热器疏水管发生爆漏。高压低温过热器疏水管设计材质为20G，规格为准60mm×5mm。1号炉高压汽包压力10.45MPa，温度310℃。高压低温过热器入口为高压汽包，高压低温过热器压力、温度与高压汽包参数基本相同。爆漏部位发生在疏水管的竖直管段，竖直管段撕裂为上部爆口、中间铁片和下部爆口三部分。爆口边缘无明显的剪切唇和毛刺等塑性变形特征。爆开的铁片外表面可见众多轴向裂纹，符合长期过热特征。高压低温过热器疏水管设计规格准60mm×5mm，爆口附近有明显胀粗，胀粗最严重部位外径为70.1mm，胀粗量达管外径的17%。水平管段距离爆口越近的部位胀粗越明显。

2余热锅炉失效原因

2.1热负荷过大

在投产初期，该余热锅炉运行正常，能满足生产所需。近年来，通过加大管理力度、优化生产组织，半钢及钒渣产量都大幅度提高，其中半钢年产量超112.5%、钒渣年产量超104.5%，热负荷过大，锅炉管内的水汽化严重，冷却不良，出现管子烧裂漏水现象，特别是在三段、四段烟道表现明显。

2.2循环冷却水水质控制不严

由于汽包无加药、取样装置，锅炉冷却水在循环过程中不断蒸发、浓缩，ｐＨ值动态变化，很难保证水碱度平衡：ＰＨ值超标会破坏锅炉管金属钝化膜，加速氧对锅炉管的电化学腐浊，管壁变薄，严重时形成深坑和穿孔泄漏“5”如果锅炉冷却水水碱度过高，锅炉管使用一段时间后就会出现结垢。通过对失效锅炉管研究分析，水垢主要为碳酸盐及磷酸盐水垢，局部厚度约１ｍｍ，严重影响汽化冷却烟道的传热效果，在锅炉管最薄弱处产生裂纹，发生漏水。

2.3烟道结构设计不合理

国内外大部分钢铁企业为使转炉余热锅炉更加紧凑，设计安装时立体空间３个方向都有布置．烟道末端结构常用圆弧式、多边形式、直角式，有利于与净化系统设备连接^[1]。烟气在拐角处产生较强的漩涡、易结渣，温度高、烟气流速高的区域锅炉管劣化趋势明显，产生裂纹或爆管漏水：通过应用Ｆｌｕｅｎｔ软件数值模拟不同结构形式下烟道内的烟气流场、温度场分布状况，分析不同结构形式烟道的使用寿命，制定优化措施。（１）物理模型。根据已知几何尺寸，建立余热锅炉三维空间模型，模型空间区域为烟气的流动区域。（２）边界条件、数值模拟时，网格划分忽略膜式水冷壁对烟气流动的影响，设人口烟气流速为6.5ｍ／ｓ、人口烟气温度１４００℃、人炉炉气量７５０００m^３/h、烟道直径２４５０mm、中心线长度３７６６１mm、自然循环壁面温度140℃。（３）速度场分析：活动烟罩处流速相对较低，在烟道末端流速逐渐增大。同等边界条件下，直角式烟气流速最大为31.6m/s，圆弧式烟气流速最大为35.2m/s，多边形式烟气流速最大为33.3m/s。受转角的作用，烟气在烟道转角处产生较大离心力，出现分层现象，而在内侧或拐角处出现回流，烟气流速相对较低，出现较强的漩涡和低温区，易结渣，烟气离心力大的区域锅炉管磨损最严重。烟气分布均匀性与烟道结构形式有关。在实际运行中，余热锅炉三段、四段锅炉管漏水频率高，使用寿命最短。圆弧式烟道内部没有死角，烟气流场分布均匀，对烟道磨损小；直角式烟道有２个90^o死角，流场分布很不均匀，烟道末端安装基础面两侧流速较高，冲刷最严重；多边形式烟道弯管相比直角式弯管，结构平缓，流场分布比较均匀。通过对比，圆弧式、多边形式烟道弯管受烟气磨损较小，更有利于提高使用寿命^[2]。（４）温度场分析。随烟道的延伸，烟气温度逐渐降低，到烟道末端出口温度降至允许范围。直角式烟道出口烟气温度为892℃，圆弧式烟道出口烟气温度为945℃，多边形式烟道出口烟气温度为923℃经过对比可知，圆弧式烟道的温度场分布最均匀，出口温度相对较高，说明换热能力最差；直角式烟道温度分布不均匀，烟道内壁面温度高，出口烟气温度相对较低，换热能力强；多边形烟道结构平缓，温度分布较均匀，低温区范围要大一些，出口温度相对较低，换热能力较强。

3分析与讨论

通过光谱成分分析和夹杂物分析，失效的疏水管为20G材质，与图纸标注材质相符，也未发现夹杂物超标等原始缺陷。爆口附近明显胀粗，且存在大面积纵向裂纹，为受热面长期过热失效的特征。通过对不同部位的金相组织分析。发生爆管的竖直管段整体上珠光体球化级别达4级或以上，包括上下弯头区域。而水平管段远离竖直管（距离约500mm）部位为珠光体轻度球化。可见，该疏水管垂直段存在明显胀粗和老化现象，爆口上方的水平段也存在胀粗和老化现象，但是远离爆口区域材质损伤程度较轻。爆口边缘金相组织发生石墨化现象，石墨化会严重降低材质性能，导致材料处于脆性状态。根据DL/T715-2015《火力发电厂金属材料选用导则》附录A，其中提到“20G适用于壁温≤430℃的蒸汽管道和联箱”，“在470～480℃下长期运行过程中，会发生珠光体球化和石墨化”，由此，可推断失效的竖直管段处于石墨化形成的温度区间，远高于该管的设计壁温范围。故该疏水管在与运行期间材质性能严重劣化，最终发生胀粗爆管。从材质的室温拉伸性能来看，抗拉强度已经略低于GB/T5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》要求的下限值，说明疏水管材质已经老化，性能下降^[4]。从结构上看，该部位位于受热面下方隔仓内，但是隔仓与受热面烟气通道之间缺乏有效的密封，靠近侧墙部位可能存在高温烟气向隔仓内流动，导致该部位环境温度偏高。且该疏水管在机组运行期间，阀门处于关闭状态，管内介质不能流动换热，导致疏水管温度接近环境温度，从而偏离设计值，导致材质无法满足使用要求。

结论及建议：

泄露疏水管存在明显胀粗和老化现象，爆口附近碳化物分解产生石墨，表明该疏水管为长期超温爆管。按照DL/T715-2015《火力发电厂金属材料选用导则》中的论述，20G在470～480℃高温下长期运行，会发生珠光体球化和石墨化，这表明该管实际运行壁温在470～480℃温度区间附近，20G材质等级偏低，无法满足使用要求。后续对该电厂提出了以下建议：①对发生爆管区域安装温度测点，掌握环境温度情况。②提高该区域疏水管材质等级。③对2号炉相同部位开展检查和更换工作。

参考文献：

[1]郑天艳.余热锅炉角焊缝裂纹原因分析及防范[J].电力安全技术,2020,22(03):60-64.

[2]张立新.末级过热器出口联箱疏水管焊缝裂纹分析及处理[J].山东电力技术,2019,46(08):61-66.

[3]陆定康,胥建国,钱松锋.燃机电站余热锅炉受热面泄漏原因及预防措施[J].华电技术,2018,40(11):27-30+33+78.

[4]黄洁.垃圾焚烧卧式锅炉过热器爆管的原因分析[J].工业锅炉,2018(03):54-56.